JP5941705B2

JP5941705B2 - ２軸駆動機構及びダイボンダ

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Publication number: JP5941705B2
Application number: JP2012042896A
Authority: JP
Inventors: 良英石井; 政幸望月; 芳弘栗原
Original assignee: ファスフォードテクノロジ株式会社
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: US9324679B2; CN103295932B; TWI508209B; KR101467632B1; US20130221764A1; CN103295932A; KR20130099796A; TW201336006A; JP2013179206A

Description

本発明は、昇降軸を含む２軸駆動機構及びダイボンダに係わり、特に昇降軸を含む２軸駆動機構であるボンディングヘッドの高速化を図り、生産性の高いダイボンダに関する。

半導体製造装置の一つに半導体チップ（ダイ）をリードフレームなどの基板にボンディングするダイボンダがある。ダイボンダでは、ボンディングヘッドでダイを真空吸着し、高速で上昇し、水平移動し、下降して基板に実装する。その場合、上昇、下降させるのが昇降(Ｚ)駆動軸である。

昨今、ダイボンダの高精度、高速化の要求が高く、特にボンディングの心臓部であるボンディングヘッドの高速化の要求が高い。
一般的に装置を高速化すると、高速移動物体による振動が大きくなり、この振動によって装置が目的とする精度を得るのが困難になる。

この要求に答える技術として、特許文献１に記載のものがある。特許文献１は、ダイボンダなどの半導体製造装置の駆動軸としてリニアモータを用い、永久磁石とコイル側を反対方向に移動させ、振動を低減すると共に、ダンパーで永久磁石側を元の位置に戻す技術を開示している。

特開２０００−３９２０号公報

しかしながら、特許文献１は、平面における駆動軸にリニアモータを用いる技術を開示しているが、昇降軸にもリニアモータを用いる２軸駆動機構において、高速化及び振動の低減できる技術の開示はない。単に、リニアモータ駆動を採用すると、図７に示すように、Ｚ軸駆動のＺ軸リニアモータの固定子及び可動子が共に水平、例えば、後述するＹ方向のＹ駆動軸の負荷なってしまう。Ｙ駆動軸のトルクを大きくすると消費電力や振動が大きくなり、Ｚ軸駆動のリニアモータの固定子及び可動子の重量を小さくすると、Ｚ軸のトルクが小さくなってしまい、所定の高速化を実現できない。また、永久磁石側を元の位置に戻すダンパーを用いているので構造が複雑なる課題がある。

従って、本発明の第１の目的は、簡単な構成でＹ(水平)軸による振動を低減できるＺ(昇降)軸を含む２軸駆動機構及びそれを用いたダイボンダを提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、昇降軸の高速化を実現でき、しかもＹ(水平)軸による振動を低減でき、Ｚ(昇降)軸を含む２軸駆動機構及びそれを用いたダイボンダを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、少なくとも以下の特徴を有する。
本発明は、処理部と、前記処理部を第１のリニアガイドに沿って昇降する第１の可動部と第１の固定部とを備える第１のリニアモータと、前記処理部を前記昇降する方向とは垂直な水平方向に移動させる第２の可動部と第２の固定部とを備える第２のリニアモータと、
前記第１の可動部と前記第２の可動部とを、前記第１のリニアガイドを介して直接的又は間接的に連結する連結部と、前記第１の固定部を固定する支持体と、前記支持体と前記第２の固定部との間に設けられ、前記第２の固定部を自由に移動させる第２のリニアガイドと、前記第１の可動部、前記第２の可動部及び前記連結部を一体となって前記水平方向に移動させる第３のリニアガイドと、前記支持体に対する前記第１の可動部の前記水平方向の位置を検出するリニアセンサと、前記リニアセンサの出力に基づいて、前記第１の可動部の前記水平方向の位置を制御する制御部と、を有することを第１の特徴とする。

また、本発明は、前記第１の可動部は、前記第２可動部に対して垂直に設けられ、前記第２のリニアガイドと前記第３のリニアガイドとは互いに平行に設けられたことを第２の特徴とする。

また、本発明は、前記第１の可動部は前記第２可動部に対して平行に設けられ、前記第１の固定部も前記第２固定部に対し平行に設けられたことを第３の特徴とする。

また、本発明は、前記第２のリニアガイドを固定する前記支持体と前記連結部との間に第４のリニアガイドを設けたことを第４の特徴とする。
さらに、本発明は、前記第１の固定部に前記昇降する方向にＮ極、Ｓ極交互に複数組設けられた電磁石は、前記水平方向の所定の領域に設けられていることを第５の特徴とする。

また、本発明は、第１乃至第５の特徴に記載の２軸駆動機構の前記処理部によって基板に処理することを第６の特徴とする。
さらに、本発明は、前記処理部はダイをウェハからピックアップし基板にボンディングするボンディングヘッド又は前記基板にダイ接着剤を塗布するニードルであることを第７の特徴とする。

また、本発明は、第５の特徴に記載の前記所定の領域は、前記ピックアップする領域及び前記ボンディングする領域であることを第８の特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成でＹ(水平)軸振動を低減できるＺ(昇降)軸を含む２軸駆動機構及びそれを用いたダイボンダを提供できる。

また、本発明によれば、昇降軸の高速化を実現でき、しかもＹ(水平)軸振動を低減でき、Ｚ(昇降)軸を含む２軸駆動機構及びそれを用いたダイボンダを提供できる。

本発明の一実施形態であるダイボンダを上から見た概念図である。図１に示すＺＹ駆動軸のボンディングヘッドが存在する位置おけるＡ−Ａ断面図である。図２に示すＺＹ駆動軸を矢印Ｃの方向から見た矢視図である。図２におけるＢ−Ｂ断面図であり、本実施形態におけるＹ駆動軸による振動の発生を低減する考え方示す図である。、所定の位置でボンディングヘッドを昇降できる固定磁石部の構成例を模式的に示す図である第２の実施形態であるＺＹ駆動軸６０Ｂの基本構成を示す図である。Ｚ軸が負荷となる２軸駆動機構を示す図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるダイボンダ１０を上から見た概念図である。ダイボンダは大別してウェハ供給部１と、ワーク供給・搬送部２と、ダイボンディング部３と、これらの状態を監視し、制御する制御部７とを有する。

ウェハ供給部１は、ウェハカセットリフタ１１とピックアップ装置１２とを有する。ウェハカセットリフタ１１はウェハリングが充填されたウェハカセット(図示せず）を有し，順次ウェハリングをピックアップ装置１２に供給する。ピックアップ装置１２は、所望するダイをウェハリングからピックアップできるように、ウェハリングを移動する。

ワーク供給・搬送部２はスタックローダ２１と、フレームフィーダ２２と、アンローダ２３とを有し、ワーク（リードフレーム等の基板）を矢印方向に搬送する。スタックローダ２１は、ダイを接着するワークをフレームフィーダ２２に供給する。フレームフィーダ２２は、ワークをフレームフィーダ２２上の２箇所の処理位置を介してアンローダ２３に搬送する。アンローダ２３は、搬送されたワークを保管する。
ダイボンディング部３はプリフォーム部(ダイペースト塗布装置)３１とボンディングヘッド部３２とを有する。プリフォーム部３１はフレームフィーダ２２により搬送されてきたワーク、例えばリードフレームにニードルでダイ接着剤を塗布する。ボンディングヘッド部３２は、ピックアップ装置１２からダイをピックアップして上昇し、ダイをフレームフィーダ２２上のボンディングポイントまで移動させる。そして、ボンディングヘッド部３２はボンディングポイントでダイを下降させ、ダイ接着剤が塗布されたワーク上にダイをボンディングする。

ボンディングヘッド部３２は、ボンディングヘッド３５(図２参照)をＺ(高さ)方向に昇降させ、Ｙ方向に移動させるＺＹ駆動軸６０と、Ｘ方向に移動させＸ駆動軸７０とを有する。ＺＹ駆動軸６０は、Ｙ方向、即ちボンディングヘッドをウェハリングホルダ１２内のピックアップ位置とボンディングポイントとの間を往復するＹ駆動軸４０と、ダイをウェハからピックアップする又は基板にボンディングするために昇降させるＺ駆動軸５０とを有する。Ｘ駆動軸７０は、ＺＹ駆動軸６０全体を、ワークを搬送する方向であるＸ方向に移動させる。Ｘ駆動軸７０は、ボールネジをサーボモータで駆動する構成でもよいし、ＺＹ駆動軸６０の構成で説明するリニアモータで駆動する構成でもよい。

以下、図を用いて本発明の特徴であるＺＹ駆動軸６０の実施形態を説明する。図２乃至図４は、第１の実施形態であるＺＹ駆動軸６０Ａの基本構成を示す図である。図２は、ＺＹ駆動軸６０Ａのボンディングヘッド３５が存在する図１に示す位置おけるＡ−Ａ断面図である。図３は、図２に示すＺＹ駆動軸６０Ａを矢印Ｃの方向から見た矢視図である。図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面図であり、本実施形態におけるＹ駆動軸による振動の発生を低減する考え方示す図である。

第１の実施形態であるＺＹ駆動軸６０Ａは、Ｙ駆動軸４０と、Ｚ駆動軸５０と、Ｙ駆動軸４０のＹ軸可動部４１とＺ駆動軸５０とのＺ軸可動部５１を連結する連結部６１と、処理部であるボンディングヘッド３５と、ボンディングヘッド３５をＺ軸中心に回転させる回転駆動部８０と、これら全体を支える横Ｌ字状の支持体６２とを有する。なお、以下の説明を分かり易くするために、図２、図３において、Ｙ軸可動部４１、Ｚ軸可動部５１及び連結部６１と一体になって移動する部分を白抜きで、その他の支持体６２に固定されている部分は斜線で示している。また、支持体６２は上部支持体６２ａと、側部支持体６２ｂと、下部支持体６２ｃと、Ｙ駆動軸支持体６２ｄとを有する。

Ｙ駆動軸４０は、図５に示すように、Ｎ極とＳ極の永久磁石が交互にＹ方向に多数配列された上下の固定磁石部４７(４７ｕ、４７ｄ)を有する逆コの字状のＹ軸固定部４２と、Ｙ軸固定部とＹ駆動軸支持体６２ｄとの間に設けられ、Ｙ軸固定部４２をＹ方向に移動可能するＹ軸固定部リニアガイド４８とを有する。
また、Ｙ駆動軸４０は、前記配列方向に少なくとも１組のＮ極とＳ極の電磁石を有し、逆コの字状の凹部に挿入され凹部内を移動するＹ軸可動部４１と、Ｙ軸可動部４１を支持する連結部６１に固定され、連結部と下部の支持体６２ｃとの間に設けられたＹ軸リニアガイド４３を備えるＹ軸ガイド部４４と、Ｙ軸ガイド部、即ち後述するボンディングヘッド３５のＹ方向の位置を検出するリニアスセンサ７１と、を有する。

Ｙ軸固定部４２は、Ｙ軸可動部４１が所定の範囲移動できるように図１の破線で示すＹ駆動軸４０略全域に亘って設けられている。また、Ｙ軸固定部リニアガイド４８、Ｙ軸リニアガイド４３は、それぞれ、Ｙ方向に伸びる２つのリニアレール４８ａ、４３ａとリニアレール上を移動するリニアスライダ４８ｂ、４３ｂを有する。リニアセンサ７１は、図４に示すように、Ｙ駆動軸４０略全域に亘って設けられたスケール７１ｓと、Ｙ軸ガイド部４４に固定され、Ｙ方向に移動する光学検出部７１ｈとを有する。

本実施形態では、Ｙ軸固定部リニアガイド４８をＹ軸リニアガイド４３とは別に設けた。しかし、それぞれのリニアスライダ４８ｂ、４３ｂが互いに干渉しないように設けることで、Ｙ軸リニアガイド４３でＹ軸固定部リニアガイド４８を兼用させてもよい。

Ｚ駆動軸５０は、Ｙ駆動軸４０と同様に、Ｎ極とＳ極の電磁石が交互にＺ方向に多数配列された左右の固定磁石部５７ｈ、５７ｍ(図４参照、以後、全体又は位置を指定しないときは単に５７とする)を有する逆Ｕの字状のＺ軸固定部５２と、Ｚ軸固定部５２の配列方向に少なくとも１組のＮ極とＳ極の電磁石を上部に有し、逆Ｕの字状の凹部に挿入され凹部内を移動するＺ軸可動部５１と、Ｚ軸可動部５１と連結部６１との間にＹ軸リニアガイド４３と同様な構造を有するＺ軸リニアガイド５３とを有する。Ｚ軸リニアガイド５３は、連結部６１に固定されＺ方向に伸びる２つのリニアレール５３ａとＺ軸可動部５１に固定されリニアレール上を移動するリニアスライダ５３ｂを有する。

Ｚ軸可動部５１は連結部６１を介してＹ軸可動部４１と繋がっており、Ｙ軸可動部４１がＹ方向に移動するとＺ軸可動部５１も共にＹ方向に移動する。そして移動先の所定の位置でＺ軸可動部５１(ボンディングヘッド３５)が昇降できるようにする必要がある。

ボンディングヘッド３５は、Ｚ軸可動部５１の先端に回転駆動部８０によって歯車３５ｂを介して回転可能に設けられ、自身先端にダイ吸着用のコレット３５ａを有している。また、回転駆動部８０は、Ｚ軸可動部５１に固定されたモータ８１で歯車８２、３５ｂを介してボンディングヘッド３５の回転姿勢を制御する。

次に、図４を用いて、ボンディングヘッド３５をＹ方向の移動させるＹ駆動軸４０の駆動によって発生する振動の低減方法を説明する。
Ｙ駆動軸４０の負荷は、Ｙ軸可動部４１と一体となって移動する可動一体部である。可動一体部は、図２において、Ｙ軸可動部４１と、連結部６１と、Ｙ軸ガイド部４４と、Ｚ軸可動部５１と、Ｚ軸リニアガイド５３、ボンディングヘッド３５及び回転駆動部８０(図３参照)である。

Ｙ駆動軸４０によって、図４に示す矢印Ｆ方向に、可動一体部を駆動力Ｆで駆動すると、固定磁石部４７が反力Ｆｋ(＝Ｆ）を受ける。例えば、Ｙ軸固定部４２を支持体６２に固定すると、反力Ｆｋによって、Ｙ軸固定部側に振動が発生する。その振動によって可動一体部側も振動し、ボンディングヘッド３５の位置決め精度が低下する。

そこで、本実施形態では、支持体６２との間にＹ軸固定部リニアガイド４８を設け、Ｙ軸固定部４２と一体になって動く固定一体部をカウンタウエイトとしてＹ方向に移動できるようにし、振動を相殺し制振する。なお、固定一体部は、本実施形態では、Ｙ軸固定部４２、固定磁石部４７及びリニアスライダ４８ｂを有する。

可動一体部、固定一体部の質量をそれぞれＭｍ、Ｍｆとすると、それぞれの加速度αｍ、αｆは式(１)となり、加速度αｍ、αｆ、加速度よって得られる速度Ｖｍ、Ｖｆ及び移動距離Ｌｍ、Ｌｆは、それぞれの質量に対して反比例の値を有する。
αｆ×Ｍｆ＝αｍ×Ｍｍ (１)
図１に示すように、Ｙ軸固定部４２、即ち固定一体部をＹ駆動軸４０略全域に亘って設けているので、固定一体部の質量Ｍｆは、可動一体部の質量Ｍｍに比べて大きな値になる。それ故、可動一体部と固定一体部は互いに反対方向に移動するが、可動一体部の移動量が大きくなり、ボンディングヘッド３５は、所定方向に移動できる。例えば、Ｍｆ／Ｍｍ＝１０ならば、図４では、ボンディングヘッド３５が右方向に１０進み、固定一体部側が１反対方向に進む。従って、ボンディングヘッド３５は、支持体６２に対して９右方向に移動できる。目的位置への移動制御は、リニアセンサ７１の出力に基づいて、位置制御又は速度制御などで行なうことができる。この制御は、本実施形態では制御部７で行う。

以上説明したように、本実施形態では、ダンパーを設けず、ただ単にＹ軸固定部リニアガイド４８を設けることによって、固定一体部側に制約を与えることなく固定一体部を自由に移動できるようにする。その結果、可動一体部と固定一体部とは互いに同期して動くので、制振するための制御をする必要もなく、Ｙ駆動軸４０の駆動による発生する振動を低減できる。

図５に、所定の位置でボンディングヘッド３５を昇降できる左右の固定磁石部５７(５７ｈ、５７ｍ)の構成例を模式的に示す図である。本実施例では、少なくとも、ボンディング領域及びピックアップ領域にＹ方向に細長いＮ極、Ｓ極を交互に設けている。細長いＮ極、Ｓ極は短く分割して設けてもよい。勿論、Ｙ方向の全域に亘って、Ｙ方向に細長いＮ極、Ｓ極を交互に設けてもよい。

以上説明した第１の実施形態のＺＹ駆動軸６０Ａによれば、Ｚ軸固定部５２は略全域に設けられているが、図７に示す構成と比べ、重量体であるＺ軸固定部５２自体は移動しないので、Ｙ方向の移動に対する負荷が大幅に低減され、水平駆動軸のトルクを大きくせず、昇降軸の高速化を実現できる。

また、以上説明した第１の実施形態のＺＹ駆動軸６０Ａによれば、Ｙ軸固定部４２を主体とする固定一体部をＹ方向に自由に移動できるように、Ｙ軸固定部リニアガイド４８を設けることで、可動一体部、固定一体部の振動を相殺し制振することができる。その結果、ボンディングヘッド３５の位置制度を向上させることができる。

図６は第２の実施形態であるＺＹ駆動軸６０Ｂの基本構成を示す図である。図６において基本的には第１の実施形態と同じ構成又は機能を有するものは同一符号を付している。

ＺＹ駆動軸６０Ｂの第１の実施形態であるＺＹ駆動軸６０Ａと異なる点は、第１に、Ｙ軸固定部４２をＺ方向に長いＩ字状にし、Ｙ軸可動部４１をＹ軸固定部４２平行に設けた点である。第２に、Ｙ軸の固定磁石部を片側の４７のみとした点である。第３に、Ｙ軸可動部４１を固定するために連結部６１との間にＹ軸可動部固定部４５を設けた点である。第４に、側部支持体６２ｂを短くし、その片側に、Ｙ軸固定部４２を移動可能にするＹ軸固定部リニアガイド４８を設けた点である。

第５に、Ｙ軸可動部４１のＹ方向の移動を可能とするＹ軸リニアガイド４３を支持するＹ軸ガイド部４４が、下部支持体６２ｃから上部支持体６２ａに移動している点である。第６に、Ｚ軸固定部５２がＵ字状からＩ字状にし、固定磁石部５７ｈ、５７ｍが片側の固定磁石部５７のみとなっている点である。第７に、Ｙ方向の移動時の可動一体部の左右の揺れを防止するために、側部支持体６２ｂと連結部６１との間にリニアガイド４６を設けた点である。

なお、このような移動を安定させるリニアガイド４６を第１の実施形態において、Ｙ軸固定部４２又はＺ軸固定部５２と連結部６１との間に設けてもよい。また、上記のように、第２の実施形態は、第１の実施形態と様々な点で異なっているが、連動する異なる点もあるが、全てを異なわせる必要はない。
その他の点は第１の実施形態６０Ａと同じである。

以上説明した第２実施形態のＺＹ駆動軸６０Ｂにおいても、第１の実施形態同様に、図７に示す構成と比べ、重量体であるＺ軸固定部５２自体は移動しないので、Ｙ方向の移動に対する負荷が大幅に低減され、水平駆動軸のトルクを大きくせず、昇降軸の高速化を実現できる。

また、以上説明した第２の本実施形態のＺＹ駆動軸６０Ｂにおいても、Ｙ軸固定部４２を主体とする固定一体部をＹ方向に自由に移動できるように、Ｙ軸固定部リニアガイド４８を設けることで、可動一体部、固定一体部の振動を相殺し制振することができる。その結果、ボンディングヘッド３５の位置制度を向上させることができる。

以上の説明では、何かを処理する処理部としてボンディングヘッドの例で説明した。基本的には、昇降軸を有する必要とする２軸駆動機構と必要とする処理部に適用可能である。例えば、ダイボンダでは、プリフォーム部３１において基板にダイ接着剤を塗布するニードルに適用可能である。

以上のように本発明の実施形態について説明したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形が可能であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。

１：ウェハ供給部２：ワーク供給・搬送部
３：ダイボンディング部７：制御部
１０：ダイボンダ３１：プリフォーム部
３２：ボンディングヘッド部３５：ボンディングヘッド
４０：Ｙ駆動軸４１：Ｙ軸可動部
４２：Ｙ軸固定部４３：Ｙ軸リニアガイド
４４：Ｙ軸ガイド部４５：Ｙ軸可動部固定部
４６：リニアガイド４７、４７ｄ、４７ｕ：固定磁石部
４８：Ｙ軸固定部リニアガイド５０：Ｚ駆動軸
５１：Ｚ軸可動部５２：Ｚ軸固定部
５３：Ｚ軸リニアガイド５７、５７ｈ、５７ｍ：固定磁石部
６０、６０Ａ、６０Ｂ：ＺＹ駆動軸６１：連結部
６２、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ：支持体
７０：Ｘ駆動軸７１：リニアセンサ
８０：回転駆動部

Claims

処理部と、
前記処理部を第１のリニアガイドに沿って昇降する第１の可動部と第１の固定部とを備える第１のリニアモータと、前記処理部を前記昇降する方向とは垂直な水平方向に移動させる第２の可動部と第２の固定部とを備える第２のリニアモータと、
前記第１の可動部と前記第２の可動部とを、前記第１のリニアガイドを介して直接的又は間接的に連結する連結部と、
前記第１の固定部を固定する支持体と、
前記支持体と前記第２の固定部との間に設けられ、前記第２の固定部を自由に移動させる第２のリニアガイドと、
前記第１の可動部、前記第２の可動部及び前記連結部を一体となって前記水平方向に移動させる第３のリニアガイドと、
前記支持体に対する前記第１の可動部の前記水平方向の位置を検出するリニアセンサと、
前記リニアセンサの出力に基づいて、前記第１の可動部の前記水平方向の位置を制御する制御部と、
を有することを特徴とする２軸駆動機構。
前記第１の可動部は、前記第２の可動部に対して垂直に設けられ、前記第２のリニアガイドと前記第３のリニアガイドとは互いに平行に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の２軸駆動機構。
前記第１の可動部は前記第２の可動部に対して平行に設けられ、前記第１の固定部も前記第２固定部に対し平行に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の２軸駆動機構。
前記第２のリニアガイドを固定する前記支持体と前記連結部との間に第４のリニアガイドを設けたことを特徴とする請求項３に記載の２軸駆動機構。
前記第１の固定部に前記昇降する方向にＮ極、Ｓ極交互に複数組設けられた磁石は、前記水平方向の所定の領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の２軸駆動機構。
請求項１乃至５のいずれかに記載の２軸駆動機構を備え、前記処理部によって基板に処理することを特徴とするダイボンダ。
前記処理部はダイをウェハからピックアップし前記基板にボンディングするボンディングヘッドであることを特徴とする請求項６に記載のダイボンダ。
請求項５に記載の前記所定の領域は、前記ピックアップする領域及び前記ボンディングする領域であることを特徴とする請求項７に記載のダイボンダ。
前記処理部は、前記基板にダイ接着剤を塗布するニードルであることを特徴とする請求項６に記載のダイボンダ。